photoelectron

Un laser frappe un atome et en arrache un électron. Plus la lumière est intense, plus le coup est fort, et l'électron s'éloigne plus vite. C'est ainsi que fonctionne l'image habituelle, où la lumière est une onde régulière.

La durée de vie de la paire de triplets intriquée dans la protéine est d'environ 60 picosecondes, soit huit fois plus longue que dans une solution. La lumière du soleil est comme un flux continu de balles frappant un mur.

En 1976, des physiciens ont prédit qu'un électron ne se contenterait pas de passer près du noyau, mais pourrait le percuter et lui transférer de l'énergie, le faisant « tressaillir ». Cet effet a été nommé NEEC — excitation nucléaire par capture électronique. Mais pendant près de cinquante ans, il n'a jamais pu être observé en laboratoire.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Chaque annihilation de positon ressemble à la naissance d'un couple de danseurs liés par un fil invisible de polarisation. Les deux rayons gamma s'éloignent, mais leurs états restent enchevêtrés : mesurer l'un détermine instantanément l'autre — comme si le partenaire ressentait chaque mouvement à n'importe quelle distance.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Du Soleil à la Terre, le vent solaire file à toute allure, mais la magnétosphère dévie le flux et en sculpte des queues de plasma.

Plus un film ferroélectrique est mince, plus le champ dépolarisant est fort — c'est le diktat de la physique classique. Imaginez un crayon en équilibre sur le bout du doigt : plus il est court, plus il est difficile de le tenir vertical. De même, la polarisation nanométrique tend à disparaître.

Un surfeur glisse sur la surface de l'océan jusqu'à ce qu'une grosse vague arrive – et le voilà projeté vers l'avant. C'est à peu près ainsi qu'un électron libre interagit avec la lumière : en général, l'échange d'énergie est à peine perceptible, mais si le milieu environnant commence à osciller rythmiquement, chaque crête de vague pousse la particule de plus en plus fort.

Dans une lumière très faible, les photons arrivent un par un, comme les gouttes d'un robinet qui fuit — jamais par paires. Cet effet, prédit par Roy Glauber et confirmé par Leonard Mandel, prouve directement que la lumière est composée de particules.

Comprendre l'effet photoélectrique — lorsque la lumière arrache des électrons à un matériau — c'est un peu comme apprendre à cuisiner sans recette. Les outils numériques viennent à la rescousse : les jeux donnent l'intuition, les simulations apportent la précision.

Un trou noir, c'est une poche cosmique dans laquelle tout tombe, même la lumière. Mais les travaux pionniers de John Archibald Wheeler, Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que, parfois, à cause de l'immense courbure de l'espace-temps…

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

Un grain de poussière flotte dans l'air, maintenu par un faisceau de lumière invisible. Autour de lui, l'air est ordinaire, mais parfois une minuscule étincelle traverse le grain. Pour la première fois, des scientifiques ont observé de telles décharges de près et ont découvert qu'elles ne sont pas déclenchées par le grain lui-même, mais par des visiteurs invisibles venus du cosmos et du sol.

Une molécule de deutérium — deux atomes d'hydrogène lourd — se disloque sous l'impact d'un laser. Un électron est arraché, laissant derrière lui un ion. À cet instant, ils sont encore liés : la direction de l'un révèle immédiatement où est parti l'autre. Cette liaison s'appelle l'intrication quantique.

Après le Big Bang, l'Univers était rempli d'un gaz froid – principalement de l'hydrogène et de l'hélium neutres. Ce gaz enveloppait le cosmos comme un brouillard matinal, imperméable à la lumière. Les âges sombres commencèrent.

Lorsque deux particules volent presque à la même vitesse dans la même direction, leurs signaux dans le détecteur se confondent, comme deux voix à l'unisson. Distinguer le duo du soliste est un art en soi.

La nuit, dans une pièce sombre, le corps humain émet une lueur à peine perceptible. Cette lumière est si faible que seuls des instruments très sensibles peuvent la capter. Certains scientifiques ont pensé qu'une telle lueur émanant de la tête pourrait révéler le fonctionnement du cerveau — sans tomographes ni fils. Mais la vérification a montré autre chose.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Lorsque la lumière arrache un électron à un atome, celui-ci s'envole comme une balle perdue dans la foule. Les scientifiques voulaient depuis longtemps savoir à quel instant exact chaque électron quittait l'atome, mais une mesure directe perturbait le processus.

Dans les communications quantiques, la clé secrète est transmise par des photons uniques. Il est impossible d'écouter un tel canal : toute tentative d'interception détruit la particule et laisse une trace. Mais cette idée a un point faible : le matériel réel, qui parfois ne se comporte pas comme le prescrit la théorie.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

Un point lumineux de la taille d'une molécule. On y fait passer un courant, et elle s'illumine comme une minuscule ampoule. Voilà à quoi ressemble l'expérience avec des molécules de colorant déposées sur une fine pellicule de sel. Lorsque le courant atteint la molécule, un électron lui cède de l'énergie. La molécule restitue aussitôt cette énergie sous forme de lumière.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

La pointe d'un microscope à effet tunnel s'approche si près de la surface d'un cristal qu'un courant électrique s'établit entre eux. Les électrons de l'aiguille sont injectés dans un semi-conducteur en couches et tombent dans une lacune atomique — un endroit où il manque un atome dans le réseau.

Lorsque la lumière arrache un électron d'une molécule, les électrons restants ne restent pas immobiles — ils se réorganisent, comme des passagers dans un wagon quand l'un d'eux descend à un arrêt.

Lorsqu'un rayon de soleil tombe sur une feuille, une course de relais s'engage à l'intérieur. L'énergie lumineuse passe d'une molécule de chlorophylle à l'autre jusqu'à atteindre le centre réactionnel, l'endroit où la chimie de la vie est déclenchée.

Sur un vaste champ de lucioles qui scintillent une à une, et non en essaim, se penche un nouveau dispositif automatique. Il promène un laser sur l'échantillon, comme une lampe de poche, et enregistre en chaque point la couleur et l'intensité de la lueur.

Le proton n'est pas une boule lisse, mais un enchevêtrement de particules plus petites en mouvement constant. Pour y voir à l'intérieur, les physiciens tirent des électrons sur le proton et observent comment ils rebondissent. Le nouvel instrument, le collisionneur électron-ion, fera cela avec une précision inédite.

Toute lumière est composée de photons, de minuscules particules. Un détecteur basique se contente de noter s'ils arrivent ou non : c'est comme un photométrie mesureur d'éclairement, qui répond « oui/non ».

Le muon, c'est comme un électron, mais environ 200 fois plus lourd. Lorsqu'il s'arrête dans un morceau de silicium, il est attiré dans le noyau atomique comme un aimant attire un clou. Le noyau reçoit un surplus d'énergie et se met à « bouillonner » : il en sort diverses particules — protons, deutons, tritons et particules alpha.

Dans une pièce sombre, on peut apercevoir une faible lueur bleue autour de certaines sources de radiation. C'est la lumière de Tcherenkov – elle apparaît lorsqu'une particule chargée traverse un milieu plus vite que la lumière ne s'y propage.

Un cristal sans centre de symétrie ressemble à un escalier dont toutes les marches sont inclinées du même côté : les électrons, après avoir reçu une impulsion de la lumière, dévalent principalement dans une seule direction. C'est ainsi que naît un courant continu — l'effet photovoltaïque.

L'atome de rubidium est comme une serrure qui ne s'ouvre qu'avec une seule clé : une particule de lumière d'une couleur strictement définie. Même sous une pluie de feu solaire, où des myriades de « clés » multicolores s'agitent, la serrure reste muette. Mais quand la bonne arrive, l'atome s'excite un instant et le capteur enregistre un clic.

Les ordinateurs quantiques exigent une mémoire fiable. Dans un cristal de diamant — carbone — l'information est stockée sous forme de direction de minuscules aiguilles magnétiques (spins) au niveau de défauts particuliers. Lire ces aiguilles avec de la lumière était peu pratique : l'optique est encombrante pour les puces.